材料成形技术基础 第3章 材料成形热过程..ppt

第三章 材料成形热过程 一、焊接热过程特点 1.热源热量比较集中，功率密度比较大，相对加热面积较小 2.在高度集中热源作用下，瞬时可将大量热能传给焊件 3.一般焊接过程中热源是移动的，焊件的受热区域不断变化 §3-1 焊接成形热过程 热热 源最小加热热面积积/ cm2 最大功率密度/ （W/cm2） 温 度/ oC 氧乙炔焰10-21033400~3500 金属极电电弧10-31046000 钨钨极氩氩弧焊焊10-31048000 埋弧自动焊动焊10-31046400 电电渣焊焊10-21042300 熔化极氩氩弧焊焊10-4104~105 CO2气体保护焊护焊10-4104~105 等离子弧10-510518000~24000 电电子束焊焊10-7107~109 激光焊焊10-8107~109 常用熔焊方法及热源主要特性 二、焊接过程热效率 热效率 =Q’/Q Q：焊接热源提供的热量； Q’：用于加热焊件的有效热量； 不同的电弧焊方法，其热效率值不同，如表示 §3-1 焊接成形热过程 不同电电弧焊焊方法的电电弧热热效率 焊焊接方法 碳弧焊焊 厚皮焊焊条手 工电电弧焊焊 埋 弧自 动动 焊焊 钨钨极氩氩弧焊焊熔化极氩氩弧焊焊 直流交流钢钢铝铝 η值值0.5-0.650.77-0.870.77-0.990.78-0.850.68-0.850.66-0.690.70-0.85 真正用于焊接的有效功率P为： P = UI 式中： P —电弧功率； U —焊接电压； I —焊接电流。

§3-1 焊接成形热过程 §3-1 焊接成形热过程 电弧焊时热量分配 所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下 ，被焊工件上（包括内部）各点在某一瞬时的温度 分布 §3-2 焊接温度场 一、焊接传热形式及热传导方程 焊接过程主要研究 的是焊件温度变化（相 当于冷却为主）因此主 要以热传导为主，适当 考虑辐射和对流的作用 2.焊接热传导的基本方程 热总是从物体的高温部位向低温部位流 动，它的流动规律服从傅立叶定律 根据傅立叶定律及能量守恒定律，可以 导出任一无限大物体内部的热传导基本 方程 傅立叶定律： qn=dT/dn q—电流密度，即沿法线方向单位面积 、单位时间内流过的热量； —热导率（J/cm•s•℃),表示导热能力 §3-2 焊接温度场 傅立叶定律的热流 焊接热传导方程 T/t=a²T 式中： a —热扩散率(cm²/s) ▽ —拉普拉斯符号(∂/∂x+ ∂/∂y+ ∂/∂z) 表示某时刻，物体上给定点附近温度分布越不均匀 ，则该点温度变化越快 二、焊接温度场的数学表述法及数学解析的假定条件 焊接温度场的数学表达式为 T= f( x, y, z, t ） 式中：T —工件上某一瞬时某点的温度 x,y,z —工件上某点的空间坐标 t —时间 §3-2 焊接温度场 数学解析的基本假定 •物理系数与温度无关为常数 •焊接的尺寸形状概括为图三种典型 •焊接热源为集中热源，有三种典型热源 •边界条件：半无限大物体上表面为绝热面，即热源的能 量全部向物体内部传导；无限大薄板的上下表面及无限 细长杆件的周边均与周围介质发生热交换，即表面传热 •固态相变时，无相变潜热发生，即除焊接热源外，无其 它任何热源。

•焊接热源在单位时间内供给的能量q在整个焊接过程中保 持恒定；除固定位置的补焊或点焊外，焊接速度应保持 直线等速运动 •热源在运动过程中所产生的热作用效果，可视为是相继 瞬时作用于不同点的无数集中热源连续作用的总和，而 多个瞬时热源相互之间并不发生影响 §3-2 焊接温度场 • 根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的方式可以简化为： 1） 厚大焊件—点状热源—三维温度场 2） 薄板焊件—线状热源—二维温度场 3） 细棒对接—面状热源—一维温度场 §3-2 焊接温度场 焊件及热源形式 三、瞬时热源的传导过程 假定焊件的初始温度t=0，利用瞬时热源 法比较容易求得热传导基本方程的特解其特 解为： 式中：r —给定点到热源点的坐标 n —与热源有关的常数 Q—焊件瞬时获得的热能 点 n=3 线 n=2 面 n=1 §3-2 焊接温度场 §3-2 焊接温度场 公式中的r，n，Q值 热热源 Qnr注 点热热源Q=q△t3 线热线热 源Q/h2h—薄极厚板 面热热源Q/F1xF—细长细长 杆伴横截面积积 四、影响焊接温度场的因素 1．热源的性质（热源能量的集中性） 以电弧焊为例，电弧能量越集中，温度场范围 越小，温度梯度越大 2焊接规范（焊速与能量，即焊接热输入） • 当热源能量（功率）q＝常数，随焊接速度v 的增加，某一温度的等温线的宽度和长度都 变小，用等温线表示的温度场的形状变的细 长 • 当速度v＝常数时，随q的增加，某一温度的 等 温线所包围的面积增大 §3-2 焊接温度场 §3-2 焊接温度场 焊接工艺参数对温度场的影响 3 被焊金属的热物理性质（热导率，体积热容，热扩散率， 比焓，表面传热系数等） §3-2 焊接温度场 金属热物理性能对温度分布的影响 E=21 kJ/cm（q=4200J/s，v=0.2 cm/s ），h=1 cm 4.焊件的板厚及形状 薄板焊接的温度场分布 §3-2 焊接温度场 表面堆焊和丁字接头形式温度场分布 §3-2 焊接温度场 焊接时焊 件在加热和冷 却过程中温度 随时间的变化 。

即焊件上某 点的温度是随 时间由低到高 达到最大值后 又由高到低的 变化称为焊 接热循环 §3-3 焊接热循环 离焊缝不同距离各点的焊接热循环 一、焊接热循环的主要参数 §3-3 焊接热循环 §3-3 焊接热循环 焊焊接方 法 板厚 /mm 焊焊接线线能量/ （J/cm） 900oC时时加 热热速度/ （℃/s） 900oC以上停留时间时间/ s 冷却速度/ （ ℃ /s） 加热时热时 t’ 冷却时时t’’900 ℃550 ℃ 钨钨极氩氩 弧焊焊 1 2 840 1680 1700 1200 0.4 0.6 1.2 1.8 240 120 60 30 对对接不开坡口 埋弧自 动焊动焊 3 5 10 15 25 3750 7140 19320 42000 105000 700 400 200 100 60 2.0 2.5 4.0 9.0 25.0 5.5 7.0 13.0 22.0 75.0 54 40 22 9 5 12 9 5 2 1 对对接不开坡口, 有焊剂垫焊剂垫 V型坡口对对撞 ，有焊剂垫焊剂垫 电电渣焊焊50 100 100 220 504000 672000 117600 966000 4 7 3.5 3.0 162.0 36.0 125.0 144.0 335.0 168.0 312.0 395.0 1.0 2.3 0.83 0.8 0.3 0.7 0.28 0.25 双丝丝 三丝丝 板极 双丝丝 单层电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数 1.加热速度 ωH §3-3 焊接热循环 钢钢种 相变变点 平衡状 态态/ ℃ 加热热速度ωH/（ ℃ /s） AC1和AC3的温度/ ℃ 6-840-50 250- 300 1400- 1700 40-50 250- 300 1400- 1700 45号 AC17307707757908404560110 AC37708208358609506590180 40CrAC17407357507708401535105 AC37807758008509402575165 23Mn AC1735750770785830355095 AC38308108508909404080130 30CrMnSi AC17407407758259203585180 AC382079083589098045100190 18Cr2WV AC1710800860930100060130200 AC38108609301020112070160260 加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温差的影响 2 . 峰值温度 Tmax 峰值温度Tmax与焊件的初始温度To，焊接线能量E， 被焊金属的板厚h及离热源中心距离有关。

3. 高温停留时间 τH τH与焊接能量E，被焊金属的、、工件板厚h以及焊件 的初始温度T0以及加热最高温度Tmax等因素有关 4. 冷却速度ω（或冷却时间τ8/5，τ8/3，τ100） 冷却速度，特别是在固态相变温度范围内冷却速度， 即800～500℃及800～300℃时的冷却速度是焊接热 循环中及其重要的参数，它将决定焊接接头的组织 、性能及接头质量 §3-3 焊接热循环 5. 冷却时间τc（τ8/5或τ8/3及τ100） 对于一般碳钢及低合金钢常采用固态相 变温度范围的800～500℃冷却时间τ8/5；而对 于淬硬倾向比较大的钢种有时采用800～ 300℃冷却时间τ8/3或由峰值温度冷至100℃的 冷却时间τ100 为了方便，在理论计算的基础上建立了 不同条件下从线算图上直接获取τ8/5或τ8/3的图 解法 §3-3 焊接热循环 §3-3 焊接热循环 冷却时间τ100与E，h，T0的关系（B-预热宽度） §3-3 焊接热循环 a）τ8/5 b)τ8/3 手弧焊线算图 二、多层焊接热循环 1.长段多层焊接热循环 长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时 ，第一层焊缝基本上冷却到100℃~200℃以下 §3-3 焊接热循环 §3-3 焊接热循环 低合金钢V形坡口三层焊时1点的冷却曲线 2.短段多层焊接热循环 短段焊道一般约50~400mm左右，在这种情况下，前层焊缝 还未冷却到较低温度（如Ms点）时，就开始焊接下一层焊缝 。

§3-3 焊接热循环 短段多层焊接热循环曲线 §3-3 焊接热循环 800500℃冷却时间τ8/5实测值与计算值对比（低合金钢埋弧焊） 三、影响焊接热循环的因素 1.焊件尺寸形状的影响 §3-3 焊接热循环 焊件宽度b及厚度h对冷却时间C的影响 （焊件长度110 mm，E=17.5 kJ/cm) 2.接头形式的影响 §3-3 焊接热循环 接头形式与冷却速度的关系 3.焊道长度的影响 §3-3 焊接热循环 4．接线能量E的影响 厚板焊接时（点热 源）在不同预热温 度（T0）下，焊接 线能量E对高温停 留时间τH的影 响 §3-3 焊接热循环 厚板焊接时，在不同预热温度下，E对H的影响 薄板焊接（线热 源），在不同预热温 度（T0）下，焊接线 能量E对高温停留时 间τH的影响 §3-3 焊接热循环 薄板焊接时，在不同预热温度下，E/h对H的影响 5.预热温度的影响 即使低温 预热，也会大 大降低600℃ 以下温度范围 的冷却速度， 但在高温阶段 冷却速度的降 低，或高温停 留时间的延长 ，则不十分显 著 §3-3 焊接热循环 预热温度对焊接热循环的影响 6.焊接时冷却条件的影响 焊接时周围环境及冷却条件（如冬季野外施 工、通风条件等），不仅影响焊件的初始温度 ，也会影响到焊接过程中的传热条件。

§3-3 焊接热循环 1.焊条（焊丝）的加热及熔化 （1）焊条或焊丝的加热 电弧焊时用于加热和熔化焊条(焊丝)的热能是：电阻热、电 弧热和化学反应热在一般情况下，化学反应热仅占1% 一3%，所以可以忽略不计 （2）焊条与焊丝的熔化参数 ①熔化速度（υm） ②熔化系数（αm） ③熔敷系数（αy） ④熔敷速度 ⑤熔敷效率 ⑥飞溅率（φS） ⑦损失系数（ψ） §3-4 电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池 2.焊接熔池 （1）电弧对焊件的热输入和热效率 电弧对焊件的热输入仅占电弧总功率的一部分热输入可用 输入的电弧功率表示为： qm=ηmq =ηmUI 式中：qm—电弧对焊件的热输入，包括熔滴带到熔池中的热 能（w）； ηm —电弧加热焊件的热效率（%）； q —电弧功率（W）； U —电弧电压（V）； I —焊接电流（A） §3-4 电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及。